智能仪器设计讲解
智能仪器原理及设计教学设计
智能仪器原理及设计教学设计前言随着科技的不断发展，智能化已经成为现代制造业的趋势。
在这个背景下，智能仪器作为关键的工具，在检测、测量、实验等方面扮演着越来越重要的角色。
为此，本文将介绍智能仪器的原理及设计教学设计。
一、智能仪器原理智能仪器的核心是芯片，通过将芯片技术与检测技术相结合来实现智能化。
现代芯片技术的高度发展为我们提供了一种全新的思路。
芯片作为控制部分是智能仪器的核心，通过内部的程序实现对设备的控制和管理，同时也是设备数据采集、传输和处理的核心。
智能仪器的原理还牵涉到一些特殊的检测方法和技术，如红外线、紫外线、激光等。
这些检测方法和技术通常用于一些特殊的检测和测量领域，例如光学、材料、环保等。
此外，智能仪器的原理还包括中央处理器、传感器和信号处理器，它们共同构成了智能仪器的核心系统。
中央处理器负责控制系统的运行，传感器负责检测并采集样品的相关数据，而信号处理器则对采集得到的数据进行处理和分析。
二、智能仪器设计在智能仪器的设计中，首先要考虑的是设备的制造材料。
制造材料的选取直接影响到设备的质量、使用寿命和处理效率。
通常情况下，智能仪器的制造材料包括金属、陶瓷、塑料和玻璃等。
其次，需要考虑的是智能仪器的功能需求。
智能仪器的功能设计应当围绕着样品的测量对象和测量对象的物理特性等进行考虑。
在此基础上进行关键部件的选择，包括芯片、传感器和信号处理器等。
最后，需要考虑的是智能仪器的软件设计。
软件设计的重点包括控制指令的设计、控制模式的选用、编码技术的应用等。
在软件设计过程中，需要根据设备的功能需求和硬件设计进行相应的编程和测试。
三、智能仪器原理及设计教学设计在智能仪器原理及设计的教学设计中，需要将理论和实践相结合。
理论部分应包括智能仪器的原理、发展历程、重要技术和应用领域等；实践部分则应包括智能仪器的制造材料、关键部件的选择、软件设计等。
另外，在教学过程中还应注意以下几点：1.突出基础理论。
智能仪器原理及设计的授课应以基础理论为主，特别是芯片技术和传感器技术等。
智能仪器设计基础
智能仪器设计基础第一章1、智能仪器的组成：答：由硬件和软件组成，硬件包括微处理器、存储器、输入通道、输出通道、人机接口电路、通信接口电路等部分。
微处理器是仪器的核心；存储器包括程序存储器和数据存储器，用来存储程序和数据；输入通道包括传感器、信号调理电路和A/D转换器等，完成信号的滤波、放大、模数转换等；输出通道包括D/A转换器、放大驱动电路和模拟执行器等，将微处理器处理后的数字信号转换为模拟信号；人机接口电路主要包括键盘和显示器。
1、智能仪器的特点答：操作自动化，具有自测功能，具有数据分析和处理功能，具有友好的人机对话功能，具有可程空操作能力。
2、模拟多路开关的性能指标答：通道数量、泄漏电流（开关断开时流过模拟开关的电流）、导通电阻（开关闭合时的电阻）、开关速度（开关接通或断开的速度）、电源电压范围。
电源电压越高，切换速度越快，导通电阻越小。
第二章1、采样/保持器的原理答：当控制信号S为高电平时，场效应管VT导通,输入模拟信号Vi对保持电容CH充电。
当S=1的持续时间Tw远大于电容CH的时间常数时，在Tw时间内，CH上的电压VC跟随输入电压VI的变化，使输出电压Vo=Vc=Vi,这段时间为采样时间。
当S为低电平时，场效应管VT截止,CH上的电压Vc保持不变，使输出电压Vo能保持采样结束瞬时的电压值，这段时间称为保持时间。
每经过一个采样周期Ts对输入信号Vi采样一次，在输出端得到输入信号一个采样值。
2、A/D转换器类型及各自特点答：并联比较型：转换速度快，但随输出位数增加，器件数增加很快，n为A/D转换器，则需要2n个电阻和2n-1个比较器，适合于转换速度快，分辨率低的场合。
逐次逼近型：抗干扰能力差，转换时间取决于输出数字的位数n 和时钟频率。
双积分型：输出取平均值，起到滤波作用，提高抗干扰能力，但是转换精度依赖于积分时间，因此转换速度较慢。
∑-Δ调制型：采用∑-Δ调制技术，元件匹配精度要求低，以数字电路为主。
测控仪器设计 第4版 第八章 智能仪器设计
基于单片机的中央处理系统的特点
① 可靠性高：其工业抗干扰能力强，不易破坏；硬件集成度高。 ② 易扩展：管脚丰富，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 ③ 控制功能强：满足工业控制要求，逻辑操作以及位处理功能。 ④ 存储器容量小：一般ROM为几k字节，RAM仅有几百字节。 ⑤ 体积小
特别适用于小型测控仪器和便携式测控仪器。常用的单片机DSP， PLC，ARM，FPGA等.
1、基于微处理器的中央电路的设计
（1）基于单片机的中央处理器电路设计； （2）基于DSP的中央处理器电路设计； （3）基于PLC的中央处理器电路设计； （4）基于ARM的中央处理器电路设计；
6
表 8.2 不同微处理器的性能对比
微处理器 性质
内存容量 运行速度
体积 功耗 抗干扰 可靠性 稳定性 可扩展性 可维护性 通讯能力 开发周期 应用领域 价格
（PROTEL，CADENCE,MENTOR）,光学（CODE V,ZEMAX,OSLO）
15
五、常用的算法 • 1、数字滤波技术 • 2、非线性校正技术 • 3、智能数据分析技术
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六、故障诊断技术
• 1、故障诊断检测性能指标； • 2、故障诊断诊断性能指标； • 3、故障诊断综合性能指标； • 4、故障诊断的主要方法有。
3
•三、智能仪器发展历程与趋势
• （1）智能仪器的微型化； • （2）智能仪器多功能化； • （3）智能仪器AI化； • （4）智能仪器网络化； • （5）智能仪器虚拟化；
4
第二节 智能仪器硬件设计
一、测量电路的设计 1、测量电路的作用及组成
智能调理技术
智能采样电路
组成
自动量程切换电路
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二、智能仪器的中央处理电路
智能仪器整机设计报告
智能仪器整机设计报告智能仪器整机设计报告一、引言智能仪器是一种利用微处理器及相关技术，能够通过自主获取、处理和显示测量数据的仪器。
本设计报告旨在介绍一款智能仪器的整机设计，并详细说明设计所采用的硬件和软件方案。
二、设计原理该智能仪器主要由微处理器、传感器、显示屏和按键等组成。
微处理器用于采集、处理和存储传感器所获取的测量数据，通过显示屏和指示灯显示数据的具体数值和状态。
按键可以实现对仪器的开关和设置。
通过现代的通信技术，智能仪器还可以实现数据传输，实现与其他智能设备的联动。
三、主要模块设计1.微处理器模块：选用高性能的ARM架构微处理器，具有快速运算和稳定性好的特点。
可通过串口和其他模块进行通信。
2.传感器模块：根据测量需求选择相应的传感器，如温度传感器、压力传感器等。
采用模拟转数模块将模拟信号转换为数字信号，并与微处理器连接。
3.显示屏模块：选用高分辨率和高亮度的液晶显示屏，通过显示控制模块将微处理器处理的数据显示在屏幕上，供用户直观查看。
4.按键模块：用于用户对仪器的开关和设置操作。
通过按键控制模块将用户操作传递给微处理器。
5.通信模块：可以选择蓝牙、WIFI等通信方式，实现仪器与其他智能设备的通信和数据传输。
四、硬件设计该智能仪器整机设计需要配备合适的电源系统，以提供稳定的电源供应。
同时需要进行线路布局和电路连接，保证各个模块之间的连接和通信。
五、软件设计1.驱动程序设计：编写适配各个模块的驱动程序，包括传感器驱动程序、显示屏驱动程序和按键驱动程序等。
2.用户界面设计：设计直观简洁的用户界面，通过图形化显示数据和操作按钮，提供用户友好的操作体验。
3.数据处理算法设计：根据测量需求，设计合适的数据处理算法，对传感器获取的数据进行处理和分析，得到有效的测量结果。
4.通信协议设计：设计数据传输的通信协议，实现仪器与其他设备间的数据交互。
六、测试验证完成硬件和软件的设计后，进行整机测试验证，检查各个模块之间的连接和通信是否正常，测量结果是否准确可靠。
智能仪器设计基础i正式
案例一：智能温度控制器设计
总结词
通过温度传感器采集温度数据，实现温度的实时监控与调节，具备智能化、人性化的操作界面。
详细描述
智能温度控制器采用微控制器技术，通过温度传感器采集环境温度，经过数据处理后，控制加热或制冷设备调节 环境温度。该设计具有实时监控、智能化控制、人性化操作界面的特点，可广泛应用于家庭、办公室、工厂等场 所的温度控制。
智能仪器设计基础i正 式
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目录
• 智能仪器概述 • 智能仪器设计基础 • 智能仪器数据处理技术 • 智能仪器应用案例分析
01
智能仪器概述
智能仪器的定义与特点
智能仪器定义
高精度
智能仪器是一种基于计算机技术的测量仪 器，能够进行自动测量、数据处理、误差 分析和仪器控制等功能。
智能仪器采用数字化信号处理技术，能够 实现高精度的测量和数据处理。
数据共享
能够将处理后的数据共享给其他 系统或设备，实现数据的最大化 利用，提高整体效率。
数据存储与备份
数据存储方式
支持本地存储和云端存储，能够将数据存储在本地硬盘、USB存储设备或云端服 务器上。
数据备份
能够定期对重要数据进行备份，以防止数据丢失或损坏，同时支持数据的还原和 恢复。
04
智能仪器应用案例分析
分析常见的人机界面显示和输入方式如LED显示屏、触摸屏、键盘等，以及相应的驱动程序设计和实现方法。
人机界面设计原则
介绍人机界面设计的基本原则如简洁明了、操作简便、符合用户习惯等，以及相应的设计方法和技巧。
人机界面测试与评估
阐述人机界面测试和评估的方法及重要性，包括用户体验测试和用户满意度评估等，同时介绍相应的测 试和评估工具及技术。
智能仪器原理及设计课件第1、2、6章
第1章 绪论
2. 仪器的性能优越 智能仪器中通过微处理器进行数据存储
和处理，很容易实现多种自动补偿、自动校 正、多次测量平均等技术，使测量精度大大 提高。通过执行适当和巧妙的算法，常常可 以克服或弥补仪器硬件本身的缺陷和弱点， 改善仪器的性能。智能仪器中，对于随机误 差通常用求平均值的方法来克服； 对于系统 误差，则根据误差产生的原因采用适当的方 法处理。
第1章 绪论
我国电磁测量信息处理仪器学会于 1984年正式成立“自动测试与智能仪器 专业学组”，1986年国际测量联合会以 “智能仪器”为主题召开了专门的讨论 会，1988年国际自动控制联合会在其当 年的理事会上正式确定“智能元件及仪 器”为其系列学术委员会之一。
第1章 绪论
此外，1989年5月在我国武汉召开了第一 届测试技术与智能仪器国际学术讨论会。 以后，在国内外的学术会议上，以智能 仪器为内容的研讨已层出不穷。近年来， 智能仪器已开始从较为成熟的数据处理 向知识处理发展，它体现为模糊判断、 故障诊断、容错技术、传感器融合、机 件寿命预测等，使智能仪器的功能向更 高层次发展。
第1章 绪论
1.3.1独立式智能仪器及GP-IB自动测试系统 独立式智能仪器（简称智能仪器）是自
身带有微处理器和GP-IB接口的能独立进行 测试工作的电子仪器。独立式智能仪器在结 构上自成一体，因而使用灵活方便，并且仪 器的性能可以做得很高。这类仪器在技术上 比较成熟，同时借助于新技术、新器件和新 工艺的不断进步，这类仪器还在不断发展， 不断推陈出新。
第1章 绪论
例如HP3455型数字电压表的实时自动校 正是先进行三次不同方式的测量，然后 由微处理器自动把测量数据代入校准方 程进行计算，以消除由漂移、增益不稳 定所带来的误差。借助于微处理器，不 仅能校正由漂移、增益不稳定等引起的 误差，还能校正由各种传感器、变换器 及电路引起的非线性或频率响应等误差。
智能仪器的设计与性能提升方法
智能仪器的设计与性能提升方法在当今科技飞速发展的时代，智能仪器在各个领域的应用越来越广泛，从医疗保健到工业生产，从环境监测到科学研究，智能仪器都发挥着至关重要的作用。
智能仪器不仅能够实现高精度、高速度的数据采集和处理，还能够通过智能化的算法和模型进行数据分析和预测，为人们提供更加准确和有用的信息。
然而，要设计出一款性能优异的智能仪器并非易事，需要综合考虑多个方面的因素，包括硬件设计、软件算法、系统集成等。
本文将详细探讨智能仪器的设计与性能提升方法，希望能为相关领域的研究和开发人员提供一些有益的参考。
一、智能仪器的设计要点1、明确需求和功能在设计智能仪器之前，首先需要明确其应用场景和需求，确定所需实现的功能和性能指标。
例如，在医疗领域，智能血糖仪需要具备高精度、快速测量、易于操作等特点；在工业生产中，智能温度传感器需要能够在恶劣环境下稳定工作，具有宽温度测量范围和高可靠性。
只有明确了需求和功能，才能为后续的设计工作提供清晰的方向。
2、硬件设计硬件设计是智能仪器的基础，包括传感器选型、信号调理电路设计、微控制器选择、电源管理等。
传感器的选型直接影响到仪器的测量精度和范围，需要根据测量对象的特性选择合适的传感器类型和规格。
信号调理电路用于对传感器输出的微弱信号进行放大、滤波、转换等处理，以提高信号的质量和稳定性。
微控制器是智能仪器的核心控制单元，需要根据处理能力、存储容量、功耗等要求进行选择。
电源管理模块则负责为整个系统提供稳定可靠的电源供应，确保仪器在不同工作条件下都能正常运行。
3、软件设计软件设计是智能仪器的灵魂，包括驱动程序编写、算法实现、用户界面设计等。
驱动程序用于控制硬件设备的工作，实现与传感器、微控制器等的通信。
算法实现是智能仪器的核心部分，包括数据采集、处理、分析、预测等算法，需要根据具体的应用需求进行优化和创新。
用户界面设计要简洁直观，易于操作，能够为用户提供良好的使用体验。
4、系统集成系统集成是将硬件和软件有机结合起来，形成一个完整的智能仪器系统。
《智能仪器设计》课件
技术更新
智能仪器技术不断发展，如何及时更新设 备和技术以保持其竞争力是一个挑战。
THANK YOU
通信技术
通信技术是智能仪器实现远程 控制和数据传输的关键技术之 一。
通信技术包括有线通信和无线 通信两种方式，能够实现仪器 与计算机、仪器与仪器之间的 数据传输和控制。
通信技术的性能指标包括传输 速率、传输距离、传输质量和 可靠性等，直接影响智能仪器 的远程控制和数据传输效果。
随着通信技术的不断发展，智 能仪器可以实现更快速、更稳 定、更可靠的数据传输和控制 。
04
智能仪器设计实例
智能温度计设计
总结词
实时监测、远程控制、高精度测量
详细描述
智能温度计采用高精度传感器和微处理器，能够实时监测环境温度，并通过无 线通信技术将数据传输到手机等设备上。用户可以通过手机应用程序远程查看 温度数据和控制温度计的开关，方便实用。
智能血压计设计
总结词
一键测量、自动分析、云端存储
智能仪器的发展历程
01
02
03
04
20世纪70年代
随着微处理器和计算机技术的 快速发展，智能仪器开始出现
。
20世纪80年代
智能仪器在工业生产中得到广 泛应用，成为工业自动化领域
的重要支柱。
20世纪90年代
随着计算机技术的不断进步， 智能仪器的功能越来越强大，
智能化程度越来越高。
21世纪
智能仪器已经成为工业自动化 领域不可或缺的重要部分，广
详细描述
智能血压计具备一键测量功能，用户只需将手臂放在血压计的感应区域内，血压计即可自动测量并记录数据。同 时，血压计内置的微处理器会对测量结果进行自动分析，并将数据上传至云端存储，方便用户随时查看和跟踪自 己的血压状况。
智能仪器设备的设计与开发
智能仪器设备的设计与开发智能仪器设备的设计与开发已经成为现代科技领域中的热门研究课题。
随着信息技术的快速发展和人工智能的兴起，智能仪器设备具备了更高的智能化水平和功能拓展性，成功地应用于各个行业和领域，极大地提高了生产效率、降低了成本，推动了科技创新的进程。
一、智能仪器设备的定义智能仪器设备是指集传感器、控制单元、数据处理单元和执行器等功能于一体的高科技仪器设备。
通过传感器采集数据，经过控制单元进行处理分析，并通过数据处理单元运算得出结果，最终通过执行器实现对物理环境的控制和反馈。
智能仪器设备具备自主学习能力和适应性，能够自动感知和反应环境的变化，并作出相应的决策，实现智能化操作和控制。
二、智能仪器设备的设计要点1. 系统集成设计：智能仪器设备的设计需要考虑各个功能模块的集成，以尽可能减小设备的体积和重量，并提高整体性能和可靠性。
2. 传感器选择与优化：合理选择传感器种类和参数，根据应用场景对传感器进行优化设计，以确保测量精度和稳定性。
3. 控制算法设计：根据系统需求，设计合适的控制算法，包括数据采集、信号处理、决策判断和反馈控制等步骤，以实现智能化的操作。
4. 数据处理与分析：采用合适的数据处理和分析方法，对采集到的大量数据进行处理和提取有用信息，为后续的决策和控制提供支持。
5. 人机交互设计：为用户提供友好的人机交互界面，使其能够方便地操作和监控智能仪器设备，提供良好的用户体验。
三、智能仪器设备的开发流程智能仪器设备的开发流程一般包括需求分析、系统设计、硬件开发、软件开发、调试测试和产品发布等多个阶段。
1. 需求分析：明确智能仪器设备的功能需求和性能要求，包括测量范围、测量精度、响应速度等方面。
2. 系统设计：根据需求分析结果进行系统整体设计，包括硬件设计、软件设计和算法设计等。
3. 硬件开发：根据系统设计要求，进行电路设计和电路板布局，选取合适的元器件进行组装和连接。
4. 软件开发：实现系统的控制和数据处理等功能，编写相应的程序代码，确保系统的稳定运行。
智能仪器第8章 智能仪器设计(2)
3 软件调试
软件调试可在个人计算机上安装模拟开发软件构成。模拟开发系 统可在计算机上利用模拟软件实现低单片机的硬件模拟、指令模拟运 行状态模拟，从而完成软件开发的全过程。
4
动态在线调试
在静态调试中，对智能仪器的硬件进行了初步调试，只排除了一 些明显的静态故障。智能仪器使用开发系统进行在线调试。
8.5 智能仪器抗干扰技术
1.3 干扰的来源与特点
干扰窜入仪器的渠道主要有三个：空间电磁场；传输通道；配电 系统
2 串模干扰及其抑制
2.1 串模干扰
串模干扰也称常态干扰。它是由外界条件引起的、叠加在被测电压上的 干扰信号，并通过测量仪器的输入端，与被测信号一起进入测量仪器而引起 的测量误差
IE e Ex Rx Vi
B 数字式电 压表
屏蔽 Ex
Rx
数字电压 表
工频串模干扰的屏蔽
2.2 串模干扰的抑制
2.2.1 采用滤波器 如果串模干扰频率比被测信号频率高，采用输入低通滤波器抑制高 频串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，采用输入高通滤波 器抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则 采用带通滤波器较为合适。 2.2.2 选择器件 双积分式A/D转换器是对输入信号的平均值进行转换，对周期性干扰 具有很强的抑制能力。一般积分周期等于工频周期的整数倍，可以抑制 工频信号产生的串模干扰。另外，可以采用高抗扰度逻辑器件，通过提 高阈值电平来抑制低噪声的干扰。还可用电容器吸收高频干扰。 2.2.3 对信号进行预处理 如果串模干扰主要来自传输线电磁感应，可以尽早的对被测信号进 行前置放大，以提高信噪比，从而减少干扰的影响；或者尽早的完成A/D 转换，传输抗干扰能力较强的数字信号。 2.2.4 电磁屏蔽 对测量元件或变送器（如热电偶、压力变送器、差压变送器）进行 良好的电磁屏蔽，
智能仪器设计基础I正式课件
知识点2
运放的负反馈应用
偏差反馈控制系统，运放电路的控制框图，滤波器，基于运放的电压电流转换，电流-电压转换，恒流源，电荷放大等典型电路
知识点3
A/D的基本原理、分类和非理想特性
逐次逼近型、直接比较型、双积分型，Sigma-Delta，分辨率，量化误 差，积分非线性，微分非线性
4/24 ____________
第一讲 绪论
1 智能仪器的重要作用 2 智能仪器的发展过程 3 智能仪器的组成、特点和分类 4 智能仪器的发展方向
11/24 ____________
第一讲 绪论
1.1 智能仪器的重要作用（1）
概念1
信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术，而测量技术是关键和 基础。智能仪器是对物质世界的信息进行测量和控制的基础手段和设备 ，使信息产业的源头和组成部分
15/24 ____________
第一讲 绪论
1.2 智能仪器的发展过程（2）
历程4
20世纪70年代以后，随着微处理器的广泛应用，出现了突破传统概念的 新一代仪器，即—智能仪器。这类仪器内置单片机或体积很小的微处理 器，仪器的功能由硬件和软件结合来完成。1974年出现电压电流波形等 间隔采样技术，揭开了智能仪器应用大幕。
20/24 ____________
第一讲 绪论
1.3 智能仪器的特点（2）
特点4
【智能仪器的网络化】配有GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485等通讯 接口，具有远程操作能力；具有Ethernet接口，可连接Internet实现网络 化；具备无线传感器网络、蓝牙通讯和GPRS通讯能力。
特点5
克服系统误差的软件算法：利用误差模型修正法，曲线拟合法，校准 数据表修正法
智能仪器设计基础I正式ppt
通信协议设计基础
串行通信协议
介绍串行通信协议的基本概念、分类、应用和发展趋势，如UART、SPI、I2C等，以及在 智能仪器设计中的应用和实现。
网络通信协议
介绍网络通信协议的基本概念、分类、应用和发展趋势，如TCP/IP、HTTP、MQTT等， 以及在智能仪器设计中的应用和实现。
自定义通信协议
介绍自定义通信协议的基本概念、分类、应用和发展趋势，以及在智能仪器设计中的设计 和实现。
实例二：湿度传感器设计
总结词
高灵敏度、长期稳定性、抗干扰能力
详细描述
湿度传感器在气象、环保、工业控制等领域应用广泛。在智能仪器设计中，湿度 传感器应具备高灵敏度、长期稳定性和抗干扰能力，以确保准确测量环境湿度。
实例三：压力传感器设计
总结词
高精度、宽测量范围、可靠性、稳定性
详细描述
压力传感器在航空航天、石油化工、工业控制等领域具有重要应用。在智能 仪器设计中，压力传感器应具备高精度、宽测量范围、可靠性和稳定性等特 点，以满足不同行业的测量需求。
智能仪器设计基础i
xx年xx月xx日
目 录
• 智能仪器概述 • 智能仪器设计基础 • 智能仪器核心模块 • 智能仪器设计实例 • 智能仪器设计挑战与解决方案 • 总结与展望
01
智能仪器概述
智能仪器的定义
智能仪器是一种基于微处理器和传感器技术的自动化测量设 备。
它能够实现数据采集、处理、显示和存储等功能，具有自动 化程度高、测量准确度高、功能多样化等特点。
02
智能仪器设计基础
硬件设计基础
1 2
集成电路
介绍集成电路的基本概念、分类、应用和发展 趋势，以及在智能仪器设计中的重要性。
智能仪器设计基础
智能仪器设计基础1、智能仪器的定义及作⽤。
智能仪器是计算机技术和测量仪器相结合的产物，是含有微型计算机或微处理器的测量（或检测）仪器。
由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及⾃动化操作等功能，具有⼀定智能的作⽤（表现为智能的延伸或加强等），因⽽被称为智能仪器。
2、为什么要采⽤程控放⼤器？程控放⼤器的组成。
与普通放⼤器的区别？程控增益放⼤器的优势:1)减少放⼤器的数量在多通道的测量系统当中，各个通道的测量信号变化也会很显著，我们要将这些信号放⼤到与A/D转换的输⼊电压相匹配（0~5V）就需要多个增益不同的放⼤器。
如果这样的话，将会⼤⼤的增加仪表需要放⼤器的数量，从⽽增加整体造价，若选⽤程控增益放⼤器,可减少放⼤器的数量，减少开⽀。
2)程控增益放⼤器通⽤性很好其放⼤倍数可以根据需要⽤程序控制进⾏改变，很容易使各种量程的信号达到与A/D匹配的要求。
区别:1) 反馈电阻⽹络可变；2）反馈电阻⽹络受控于控制接⼝的输出信号。
3)由不同的控制信号，产⽣不同的反馈系数，改变放⼤器的闭环增益。
组成：⼀般由放⼤器、可变反馈电阻⽹络和控制接⼝三个部分。
3、仪⽤放⼤器的⼯作原理（要求绘制基本电路图、求出放⼤器的闭环增益）仪⽤放⼤器其对称结构使整个放⼤器具有很⾼的共模抑制能⼒，特别适⽤于长距离测量。
通常为保证放⼤器的共模抑制能⼒，电路参数对称，即R1=R2、R3=R4、R5=R6，此时，闭环增益为，可使⽤控制阻值的⽅式改变放⼤器的增益。
4、LED显⽰器的驱动显⽰形式有⼏种，各⾃的优缺点是什么。
LED有两种显⽰⽅式：静态显⽰⽅式和动态显⽰⽅式。
1)静态显⽰：所有的位选线COM连接到⼀起接低电平（共阴极）或接⾼电平（共阳极），每⼀位LED的段选线连接到⼀个8位显⽰输出⼝上，这样N位显⽰器共需要8*N根显⽰输出线，显⽰时位与位之间是相互独⽴的。
具有显⽰亮度⾼，显⽰稳定，控制⽅便等优点，但当显⽰的位数较多时，占⽤的I/O⼝线较多。
智能仪器设计基础PPT课件
使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员通过键盘 输入命令，用对话方式选择测量功能和设置参数。同时，智能 仪器能输出多种形式的数据，如通过显示屏将仪器的运行情况、 工作状态以及处理结果以数字或图形形式输出。
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1.3.2 智能仪器的特点
5) 可程控操作能力
体积庞大，功能单一，价格昂贵， 开放性差，响应速度慢，精度低 。
万用表、电子示波器、信号发 生器等磁电式和电子式模拟仪 器仪表
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2. 各个时期的发展
60年代
数字式仪器
随集成电路的出现，以集成电路芯片为基础。
基本工作原理 特点
在测量过程中将模拟信号转换为 数字信号，测量结果以数字形式 显示和输出
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网络化仪器
实现过程： 可实现任意时间、任何地点对系统的远程访问，实
时获得仪器的工作状态；通过友好的用户界面，对远程 仪器的功能和状态进行控制和检测，将远程仪器测得的 数据经网络迅速传递给本地计算机。
优点
可以使测试人员不受时间和空间的限制， 随时随地获取所需信息，同时还可以实现测 试设备的远距离测试与诊断，提高测试效率， 减少测试人员的工作量，方便修改、扩展。
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网络化仪器
发展方向： 网络化仪器是一种涉及多门学科、涵盖范围更
宽、应用领域更广的仪器范畴，可以做到从任何地 点、任意时间获取所需要的任何地方的测量信息。 仪器正朝着数字化、网络化和多媒体化方向发展。
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智能仪器发展前景
智能仪器是计算机科学、电子学、数字 信号处理、人工智能、VLSI等新兴技术与传 统仪器仪表技术的结合。随着专用集成电路、 个人仪器、网络技术等相关技术的发展，智 能仪器将会得到更加广泛的应用。作为智能 仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能 仪器向小型化、多功能化、更加灵活的方向 发展的动力。可以预料，各种功能的智能仪 器将会广泛地使用在各个领域。
智能仪器设计实例解析
应具备的功能：
输出、人机对话、通信、报警提示、 仪器状态的自动调整等。
2．可靠性要求
仪器可靠性是最突出也是最重要的性能。 ? 直接影响测量结果的正确与否 ? 将影响工作效率 ? 仪器信誉 ? 在线检测与控制类仪器更是如此，由于仪
设计智能仪器系统面临三个突出的问题： ★ 产品更新换代太快； ★ 市场竞争日趋激烈； ★ 满足用户不同层次和不断变化的要求。
在电子工业和计算机工业中推行一种不同于传统 设计思想的所谓“开放系统”的设计思想。
“开放系统”的设计思想
? 在技术上兼顾今天和明天，既从当前实际 可能出发，又留下容纳未来新技术机会的 余地；
c.作为研制完毕进行项目验收的依据。
《仪器设计任务书》
主要内容 a.仪器名称、用途； b.特点及简要设计思想; c.主要技术指标; d.仪器应具备的功能； e.仪器的设备规模； f.系统的操作规范。
拟定设计方案
《仪器设计任务书》
确定微机系统的构成
硬件与软件的划分、折衷 硬件设计方案 软件设计方案
2．硬件、软件研制阶段
硬件研制：
? 采用功能强的芯片以简化电路, ? 修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地. ? 自诊断功能，需附加设计有关的监测报警电路 ? 硬件抗于扰措施. ? 线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排
等问题，必须考虑到安装、调试和维修的方便。
软件设计研制：
? 软件设计作一个总体规划，选择平台 ? 程序功能块划分 ? 确定算法 ? 分配系统资源和设计流程图 ? 编写代码 ? 程序调试和纠错、各部分程序连接及系
智能仪器设计
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单片机技术课程设计说明书智能仪器人机接口电路设计专业电气工程及自动化学生姓名班级BMZ电气081学号指导教师周云龙完成日期2011年6月9 日摘要随着社会的发展，科学的进步，人们的生活水平在逐步的提高，尤其是微电子技术的发展，犹如雨后春笋般的变化。
电子产品的更新速度快就不足惊奇了。
计算器在人们的日常中是比较的常见的电子产品之一。
如何使计算器技术更加的成熟，充分利用已有的软件和硬件条件，设计出更出色的计算器，使其更好的为各个行业服务，成了如今电子领域重要的研究课题。
科技的进步需要技术不断的提升。
一块大而复杂的模拟电路花费了您巨大的精力，繁多的元器件增加了您的成本。
而现在，只需要一块几厘米平方的单片机，写入简单的程序，就可以使您以前的电路简单很多。
相信您在使用并掌握了单片机技术后，不管在您今后开发或是工作上，一定会带来意想不到的惊喜。
现在应用较广泛的是科学计算器，所谓科学计算器，与我们日常所用的简单计算器有较大差别：只能进行正数加、减、乘、除四则运算的计算器叫做简单计算器；科学计算器是指能兼容正数的四则运算和乘方、开方运算，具有指数、对数、三角函数、反三角函数及存储等计算功能的计算器。
计算器的未来是小型化和轻便化,如使用太阳能提供电池的计算器,使用ASIC设计的计算器,如使用纯软件实现的计算器等,随着社会的发展,知识的更新,各行各业的需要带动了电子产品的发展,未来的智能化计算器将是我们的发展方向,更希望成为现代社会应用广泛的计算工具。
关键词：MCS-51 8051单片机；人机接口扩展4X4按键；计算器；加减乘除；LCD128X64;目录第一章绪论 (4)1.1本课题的研究意义 (4)1.2设计目的 (4)设计任务 (4)第二章计算器系统简介 (3)2.1单片机发展现状 (3)2.2计算器系统现状 (4)第三章主要器件简介 (4)3.1MCS-51系列单片机简介 (4)3.2键盘电路的设计 (7)3.3LCD12864模块介绍 (8)第四章计算器系统设计 (15)4.2键盘扫描的程序设计 (15)4.3显示模块的程序设计 (16)4.4主程序的设计 (17)4.5系统调试 (17)结语 (19)谢辞 (20)参考文献 (21)附录1 系统PCB图............................................................ 错误！未定义书签。
附录2 PROTEUS仿真图 (23)附录3 程序由于采用的是汇编语言太长，可以在软件KEIL中查阅 (23)第一章绪论1.1 本课题的研究意义随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们的生活、工作、科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。
目前，大部分的计算器是基于单片机系统开发的。
在单片机系统中，除了需要完成特定功能的算法器件外，还需要输入、输出装置。
在计算器中，输入装置是——键盘，而输出装置是——液晶显示模块。
本次设计是用单片机来设计的七位数计算器。
该设计系统是以AT89C52为单片机，P1口作为输入端，外接4×4的键盘，通过键盘扫描来对输入数的控制，在P0口，P2口接了驱动电路，用来保证液晶模块的工作正常。
计算器将完成的功能有加，减，乘，除等功能。
该系统还设了功能键ON/C，开始显示0，按了键后就进入计算状态。
当然还有一些不足之处，本次设计还不能进行小数计算。
本设计还加如了阅读器的功能，使此次的设计弥补一点计算器这个领域的一点空缺。
1.2设计目的通过本次工程实践，运用《智能化测量控制仪表原理与设计》、《MCS-51系列单片微型计算机及其应用》所学知识及查阅相关资料，完成简易计算器的设计，达到理论知识与实践更好结合、提高综合运用所学知识和设计能力的目的。
通过本次设计训练，可以使我们在基本思路和基本方法上对基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计有一个比较感性的认识，并具备一定程度的设计能力。
掌握8051系统中，扩展输入（键盘）及显示接口的方法设计任务在本次工程实践中，主要完成如下方面的设计任务：1）简要综述单片机技术发展的国内外现状及数码管动态显示和矩阵键盘基本原理；2）了解单片机数据转换功能及工作过程；第一章绪论3)人机接口的设计，扩展16个键，按下数字键，LCD128X64显示数字，按下功能键，LCD128X64显示相应功能并转向相应的程序（转入口就行，不要具体代码）。
4) 对字符液晶显示模块的工作原理，如初始化、清屏、显示、调用及外特性有较清楚的认识，并会使用LCD（液晶显示模块）实现计算结果的显示；掌握液晶显示模块的驱动和编程，设计LCD和单片机的接口电路，以及利用单片机对液晶模块的驱动和操作；5) 掌握矩阵式键盘的扫描等工作过程。
行列键盘是本设计中单片机系统的输入通道，主要是如何使用行列键盘，确定数字键和功能键的区别，以及键盘抖动的消除。
6) 在充分分析内部逻辑的概念，进行软件和调试，学会使用，并能够以其为平台设计出具有四则运算能力简易计算器的硬件电路和软件程序。
7）用protues软件完成原理电路的绘制；8）完成系统设计说明书。
第二章计算器系统简介2.1 单片机发展现状单片机的发展趋势：低功耗CMOS化；微型单片化；主流与多品种共存；单片机从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。
纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1）低功耗CMOS化MCS-51系列的8051推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。
象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。
CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2）微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。
此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
3）主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。
所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。
而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。
此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。
在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。
2.2 计算器系统现状计算器一般由运算器、控制器、存储器、键盘、显示器、电源和一些可选外围设备及电子配件通过人工或机器设备组成。
低档计算器的运算器、控制器由数字逻辑电路实现简单的串行运算，其随机存储器只有一、二个单元，供累加存储用。
高档计算器由微处理器和只读存储器实现各种复杂的运算程序，有较多的随机存储单元以存放输入程序和数据。
键盘是计算器的输入部件，一般采用接触式或传感式。
为减小计算器的尺寸，一键常常有多种功能。
显示器是计算器的输出部件，有发光二极管显示器或液晶显示器等。
除显示计算结果外，还常有溢出指示、错误指示等。
计算器电源采用交流转换器或电池，电池可用交流转换器或太阳能转换器再充电。
为节省电能，计算器都采用CMOS工艺制作的大规模集成电路（见互补金属-氧化物-半导体集成电路），并在内部装有定时不操作自动断电电路。
计算器可选用的外围设备有微型打印机、盒式磁带机和磁卡机等。
第三章主要器件简介3.1 MCS-51系列单片机简介8051是MCS-51系列单片机的典型产品，以这一代表性的机型进行系统的讲解。
8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：·中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
·数据存储器(RAM)8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
图3-1 8051内部结构图·程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
·定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
·并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。
·全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
·中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
·时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。